Redistribucion de Soluto Parte i

Universidad Nacional Experimental Politécnica

“Antonio José de Sucre”

Vice Rectorado Puerto Ordaz

Departamento de Ingeniería Metalúrgica

Sección Siderurgia y Fundición

Catedra Solidificación

Profesora: Ing. Naiyelis Pérez

Ciudad Guayana 2015.

Sub Temas:

- Casos de Redistribución de soluto:

1.- Caso A: Equilibrio tanto en el liquido como en el solido.

2.- Caso B: Equilibrio en el liquido (La composición es uniforme) y No-Equilibrio en el solido (No hay difusión)

3.- Caso C: No-Equilibrio en el liquido (no hay convección), No-Equilibrio en el solido (no hay difusión)

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La solubilidad límite del hierro en el aluminio líquido es de 1,87% p/p

a 655°C y en el aluminio sólido es de 0,052% p/p. A la temperatura

de 427°C, la solubilidad disminuye a menos de 0,01%.

Por lo tanto durante la solidificación y enfriamiento, existen grandes

fuerzas motrices que permiten la formación de fases ricas en hierro,

tales como la fase β-Al5FeSi de forma acicular o de placa, así como

la fase α-Al8Fe2Si, a menudo se ha reportado la presencia de la fase

α-Al12Fe3Si2.

Debido a que hay equilibrio tanto en el liquido como en el sólido, hay

una distribución homogénea de soluto en toda la pieza o material. Esto

se debe a que el enfriamiento es lo suficientemente lento como para

permitir que los gradientes de concentración cambien suavemente y no

hay barreras para la nucleación de la fase solida, el equilibrio existe en

todo momento.

Referencia: Quintero Sayago, O. Solidificación. Universidad Simón Bolívar. Diciembre 2003.

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La solidificación en equilibrio se caracteriza porque a cualquier temperatura T,

durante la solidificación, la conservación del soluto en la interfaz permite la

regla de la palanca para el equilibrio: Cs.fs + CL.fL = Co donde se cumple que

las fracciones del liquido y el sólido: fs + fL = 1.

A pesar de la naturaleza de la solidificación en equilibrio durante el proceso se

produce una sustancial redistribución de soluto, lo que conduce a que el

material sea homogéneo solamente antes y después de la solidificación, pero

nunca durante el proceso. Es conveniente recordar que la difusividad

determina la velocidad a la que los átomos se pueden mover en el sistema.


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A T1 el primer solido que nuclea tiene una composición C1s que está en

equilibrio con C1L y Co. Al disminuir la temperatura, el liquido continua

enriqueciéndose en B y va aumentando el tamaño de los nucleos

(crecimiento), por adición sucesiva de nuevas unidades cristalinas. A T2 la

composición del solido es C2S y la del liquido C2L. La solidificación prosigue

hasta que la ultima gota del liquido de composición C3L solidifique a T3 en un

solido de composición C3S. De este modo bajo las condiciones de enfriamiento

en equilibrio la composición final del solido es uniforme y es exactamente igual

a la composición del liquido del cual se comenzó.


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Al solidificar el metal se producen gradientes de concentración que no

logran equilibrarse debido al insuficiente tiempo del que se dispone. En

este caso no hay difusión en el solido producido durante la

solidificación, por lo tanto la primera cantidad de solido producida a la

temperatura TL es muy pequeña y tiene composición Cs dada por

Cs=Ko.Co.


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En esta ecuación el coeficiente de distribución de soluto está dado por Ko = (Cs/CL). Este hecho conduce a que a medida que progresa la solidificación, es decir a una temperatura T* entre la del liquidus y la del solidus de la aleación de composición Co, el liquido delante de la interfaz L-S se encuentra enriquecido en soluto cuando Ko < 1 y empobrecido cuando Ko > 1.

A T1 el primer solido que nuclea tiene composición

C1s, al bajar la temperatura, en los casos reales, la

velocidad de enfriamiento es relativamente rápida

y no hay tiempo de homogenizar la composición

del solido, ya que la difusión en este estado es

mas lenta que en el estado liquido, por

consiguiente hay un gradiente de concentración

de soluto entre las partes que solidificaron primero

y las que lo hicieron al final. Debido a esto, el

promedio de concentración de soluto en el solido

seguirá la línea de trazos y a T3 todavía quedará

liquido, aun cuando, en equilibrio éste debería

haber desaparecido y la composición promedio

del solido será inferior a Co. Por tanto, la

solidificación continuará hasta que la composición

promedio del solido sea igual a Co, esto acurre a

la temperatura T5 y el solido formado tendrá

concentraciones de soluto mayores que Co,

debido a la gran concentración de soluto en el

liquido hacia el final de la solidificación.


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Dado que se considera que la solidificación

ocurre en condiciones de No-equilibrio, el exceso

de soluto rechazado a partir del solido se

acumula en una capa de espesor δc enriquecida

en soluto que está delante de la interfaz L-S. El

coeficiente de distribución de soluto Ko, es

constante a la temperatura invariante que

finalmente se alcanza, eutéctica o peritéctica, el

liquido remanente solidifica a esa temperatura.


La consecuencia directa de los procesos de

distribución de soluto entre la fase liquida y

solida durante la solidificación es la formación de

gradientes de composición en el interior de los

granos, fenómenos que se conocen con el

nombre de segregación. Debido a los gradientes

de concentración de soluto, se puede observar

en una metalografía de una aleación, las

diferencias en tonalidades, por la fuerte

acumulación de soluto en el solido formado al

final del proceso.

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La segregación de soluto, que se define como

diferencias de concentración de soluto, genera

en las regiones solidificadas al final, zonas de

menor punto de fusión que el esperado para la

aleación, esto es peligroso si se realizan

tratamientos térmicos posteriores, porque ciertos

lugares pueden llegar al punto de fusión. La

segregación puede reducirse mediante un

tratamiento de homogenización, que consiste en

calentar por tiempo prolongado la pieza sólida,

para que por difusión se homogenice el

contenido de soluto.


Debido a que este proceso es de alto costo, se

realiza sólo si se justifica. La variación en la

composición de una estructura segregada entre

los centros y bordes de los granos depende de

la velocidad de enfriamiento, la separación entre

curvas sólidus y líquidus, y la composición inicial

de la aleación. De lo anterior se deduce que el

gradiente de concentración crece con la

velocidad de solidificación y con el aumento de la

separación entre curvas sólidus y líquidus.

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Si en el estado liquido no hay difusión de soluto

y en ese liquido no hay convección, el soluto

rechazado delante de la interfaz L-S es

transportado solamente por difusión, lo cual

conduce a la formación de una capa borde δc

para cuando Ko < 1. Si el cristal que crece es lo

suficientemente largo como para que se

alcancen las condiciones de estado

estacionario, la composición del solido que se

está formando es de, exactamente, la

composición de la aleación como conjunto Co.

Entonces bajo condiciones de estado

estacionario el equilibrio en la interfaz requiere

que la composición del liquido en la interfaz,

representada por el punto M, sea CL= Co/Ko y

que la solidificación se esté sucediendo a la

temperatura del solidus Ts.


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DL es el coeficiente de difusividad del

soluto en el líquido; y R es la velocidad

de avance de la interfaz líquido-sólido.

Las condiciones de borde son:


X‘ = 0 XL = (Xo/Ko)

X' = ∞, XL = Xo

El requerimiento de conservación de

soluto en la interfaz directamente

produce el gradiente de concentración

de soluto en el líquido en dicha interfaz.

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La distancia característica solo depende de DL y de R. Este tipo de solidificación da

como resultado un cristal de composición casi uniforme, excepto en los transitorios

inicial y final, como se muestra en la figura, donde XSM corresponde a la solubilidad

máxima de la fase primaria y XE a la composición del eutéctico. Como resultado, el

sólido que se forma en el transcurso de las últimas etapas de la solidificación es de muy

alta concentración en soluto, pero al no haber difusión de éste en el sólido, la

composición inicial permanece constante.


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El transitorio inicial se forma bajo condiciones de estado no-estacionario, mientras la

capa borde acumula soluto y alcanza un máximo para continuar solidificando bajo

condiciones de estado estacionario. A medida que se sucede la solidificación, el

contenido de soluto gradualmente se acumula en el sólido hasta su valor de estado

estacionario (X*S/Xo) = 1; la distancia requerida para esencialmente alcanzar el estado

estacionario depende de los valores (R/DL) y Ko.


La cantidad de soluto total

incorporada a la capa borde de

difusión aumenta al disminuir la

velocidad de crecimiento y viceversa.

Este hecho conduce a un descenso

local en la cantidad de soluto

depositado en el solido a medida que

cambia la velocidad.

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El transitorio final, es mas pequeño en tamaño que el inicial, debido a que es el

resultado del choque de la capa borde de soluto con el extremo del crisol cuando el

crecimiento es unidireccional o con otro frente de solidificación que viene desde la otra

pared en los casos reales. En el transitorio final, la concentración de soluto aumenta

continuamente desde Xo hasta XE.


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Desarrollo de la micro-estructura durante la solidificación de una aleación de 35% Ni - 65% Cu. (Callister, 2001)

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